6. Abstraktní datové typy

Transkript

1 Jiří Vokřínek, 2015 B6B36ZAL - Přednáška 6 1 Základy algoritmizace 6. Abstraktní datové typy doc. Ing. Jiří Vokřínek, Ph.D. Katedra počítačů Fakulta elektrotechnická České vysoké učení technické v Praze

2 Jiří Vokřínek, 2015 B6B36ZAL - Přednáška 6 2 Základy algoritmizace Dnes: Abstraktní datové typy Zásobník Fronta Spojový seznam

3 Abstraktní datový typ Jiří Vokřínek, 2015 B6B36ZAL - Přednáška 6 3

4 Jiří Vokřínek, 2015 B6B36ZAL - Přednáška 6 4 Abstraktní datový typ Datová struktura (typ) je množina dat a operací s těmito daty Abstraktní datový typ formálně definuje data a operace s nimi Příklady: Fronta (queue) Zásobník (stack) Pole (array) Tabulka (table) Seznam (list) Strom (tree) Množina (set) Nezávisle na konkrétní implementaci

5 Jiří Vokřínek, 2015 B6B36ZAL - Přednáška 6 5 Abstraktní datový typ Abstraktní datový typ je množina dat (hodnot) a příslušných operací, které jsou přesně specifikovány a to nezávisle na konkrétní implementaci Můžeme definovat: Matematicky signatura a axiomy Rozhraním (interface) a popisem operací, rozhraní poskytuje: Konstruktor vracející odkaz (na objekt nebo strukturu) Objektově orientovaný i procedurální přístup Operace, které akceptují odkaz na argument (data) jako argument a které mají přesně definovaný účinek na data Příklad matematického popisu datový typ Boolean

6 Jiří Vokřínek, 2015 B6B36ZAL - Přednáška 6 6 Matematický popis ADT - Boolean Syntax popisuje, jak správně vytvořit logický výraz: 1. true a false jsou logické výrazy 2. Jestliže x a y jsou logické výrazy, pak I.!(x) negace II. (x & y) logický součin and III. (x y) logický součet or IV. (x == y), (x!= y) relační operátory jsou logické výrazy Pokud se chceme vyhnout psát u každé operace závorky, musíme definovat priority operátorů Konkrétní implementace se může syntakticky lišit viz.! vs. not, atp.

7 Jiří Vokřínek, 2015 B6B36ZAL - Přednáška 6 7 Matematický popis ADT - Boolean Sémantika popisuje význam jednotlivých operací Můžeme definovat axiomy: true == true : true false == false : true!(true) : false x & false : false x & y : y & x x false : x true == false : false false == true : false!(false) : true x & true : x x y : y x x true : true

8 Abstraktní datový typ - vlastnosti Počet datových položek může být Neměnný statický datový typ počet položek je konstantní Např. pole, řetězec, třída, Proměnný dynamický datový typ počet položek se mění v závislosti na provedené operaci Např. vložení nebo odebrání určitého prvku Typ položek (dat) může být Homogenní všechny položky jsou stejného typu Nehomogenní položky můžou být různých typů Existence bezprostředního následníka je Lineární existuje bezprostřední následník prvku, např. pole, fronta, seznam, Nelineární neexistuje přímý jednoznačný následník, např. strom Jiří Vokřínek, 2015 B6B36ZAL - Přednáška 6 8

9 Zásobník Jiří Vokřínek, 2015 B6B36ZAL - Přednáška 6 9

10 Jiří Vokřínek, 2015 B6B36ZAL - Přednáška 6 10 Zásobník Dynamická datová struktura umožňující vkládání a odebírání hodnot tak, že naposledy vložená hodnota se odebere jako první Základní operace Vložení hodnoty na vrchol zásobníku Odebrání hodnoty z vrcholu zásobníku Test prázdnosti zásobníku LIFO Last In, First Out

11 Jiří Vokřínek, 2015 B6B36ZAL - Přednáška 6 11 Zásobník Základní operace push vložení hodnoty na vrchol zásobníku pop odebrání hodnoty z vrcholu zásobníku isempty test prázdnosti zásobníku push pop Další operace mohou být peek čtení hodnoty z vrcholu Alternativně také třeba top search vrátí pozici prvku Pokud se nachází v zásobníku, jinak -1 size aktuální počet prvků Nebývá potřeba Vrchol z. Poslední vložená pol. Předposlední vložená p. Druhá vložená položka První vložená položka

12 Jiří Vokřínek, 2015 B6B36ZAL - Přednáška 6 12 Zásobník Příklad implementace pomocí List push append pop pop isempty not len(stack) stack = [] stack.append("dela") stack.append("to") stack.append("co") stack.append("vime") while len(stack): print(stack.pop()) Uměli byste implementovat zásobník pomocí pole?

13 Jiří Vokřínek, 2015 B6B36ZAL - Přednáška 6 13 Zásobník Příklad implementace s definicí rozhraní class Stack: def init (self): self.items = [] def push(self, item): self.items.append(item) def pop(self): return self.items.pop() def isempty(self): return (self.items == []) s = Stack() s.push("dela") s.push("to") s.push("co") s.push("vime") while not s.isempty(): print(s.pop())

14 Jiří Vokřínek, 2015 B6B36ZAL - Přednáška 6 14 Zásobník Příklad použití kontrola vyvážení závorek def parchecker(symbolstring): s = Stack() for symbol in symbolstring: if symbol == "(": s.push(symbol) elif symbol == ")": if s.isempty(): return False else: s.pop() return s.isempty() parchecker('(3+(2*(-2)+(3*5)-1)/(3-2)*2)') parchecker('((3+2)+(5*8)*(4)')

15 Fronta Jiří Vokřínek, 2015 B6B36ZAL - Přednáška 6 15

16 Jiří Vokřínek, 2015 B6B36ZAL - Přednáška 6 16 Fronta Dynamická datová struktura umožňující vkládání a odebírání hodnot v pořadí, v jakém byly vloženy Základní operace Vložení hodnoty na konec fronty Odebrání hodnoty z čela fronty Test prázdnosti fronty FIFO First In, First Out

17 Jiří Vokřínek, 2015 B6B36ZAL - Přednáška 6 17 Fronta Základní operace push vložení hodnoty na konec fronty (nebo též enqueue) pop odebrání hodnoty z čela fronty (nebo též dequeue) isempty test prázdnosti fronty Další operace mohou být peek čtení hodnoty z čela back čtení hodnoty z konce Čelo fronty push poslední druhý první pop

18 Jiří Vokřínek, 2015 B6B36ZAL - Přednáška 6 18 Fronta Příklad implementace pomocí List push append pop pop(0) isempty not len(stack) stack = [] stack.append("dela") stack.append("to") stack.append("co") stack.append("vime") while len(stack): print(stack.pop(0)) Pozor, operace pop(0) je pomalá víte proč?

19 Jiří Vokřínek, 2015 B6B36ZAL - Přednáška 6 19 Fronta Příklad implementace s definicí rozhraní class Queue: def init (self): self.items = [] def isempty(self): return self.items == [] def enqueue(self, item): self.items.insert(0,item) def dequeue(self): return self.items.pop() Jaký je rozdíl v použití seznamu oproti minulému příkladu? q = Queue() q.enqueue("dela") q.enqueue("to") q.enqueue("co") q.enqueue("vime") def size(self): return len(self.items) while not q.isempty(): print(q.dequeue())

20 Jiří Vokřínek, 2015 B6B36ZAL - Přednáška 6 20 Fronta Rozšíření prioritní fronta Prvky jsou odebírány na základě priority (např. velikosti) Hledání největšího prvku při odebírání Seřazení po vložení Seřazení při vložení Jaký to lze naimplementovat? Určitě to jde lépe s pomocí složitějších struktur

21 Spojové struktury Jiří Vokřínek, 2015 B6B36ZAL - Přednáška 6 21

22 Jiří Vokřínek, 2015 B6B36ZAL - Přednáška 6 22 Spojové struktury Seznam List Základní datová struktura pro uchovávání množiny prvků Vložení/vyjmutí prvku může být velmi pomalé Spojové seznamy Datová struktura realizující seznam dynamické délky Každý prvek obsahuje Datovou část (hodnota proměnné, objekt, ) Referenci na další prvek None v případě posledního prvku seznamu První prvek seznamu se zpravidla označuje jako head nebo start Realizováno jako referenční proměnná odkazující na první prvek seznamu

23 Jiří Vokřínek, 2015 B6B36ZAL - Přednáška 6 23 Spojové struktury Prvek seznamu Node Základ i pro komplikovanější struktury class Node: def init (self,initdata): self.data = initdata self.next = None Spojový seznam LinkedList class LinkedList: def init (self): self.head = None

24 Jiří Vokřínek, 2015 B6B36ZAL - Přednáška 6 24 Spojové struktury Test prázdnosti isempty def isempty(self): return self.head == None Přidání prvku push def push(self,item): node = Node(item) node.next = self.head self.head = node Přidání prvku není závislé na počtu prvků v seznamu

25 Jiří Vokřínek, 2015 B6B36ZAL - Přednáška 6 25 Spojové struktury Odebrání prvního prvku pop def pop(self): if self.head: ret = self.head.data self.head = self.head.next return ret Přidání prvku není závislé na počtu prvků v seznamu Zjištění počtu prvků size def size(self): current = self.head count = 0 while current!= None: count += 1 current = current.next return count Kompletní projití seznamu

26 Jiří Vokřínek, 2015 B6B36ZAL - Přednáška 6 26 Spojové struktury Zrychlení operace size Můžeme si pamatovat aktuální počet prvků count Zvyšujeme a snižujeme při každé operaci vložení/vyjmutí Práce s posledním prvkem Zavedeme si referenci na poslední prvek end Pracujeme obdobně jako s head V případě přidání prvku na začátek aktualizujeme pouze pokud byl seznam dosud prázdný Aktualizujeme v případě přidání prvku na konec Aktualizujeme při vyjmutí posledního prvku

27 Spojové struktury class LinkedList: def init (self): self.head = None self.count = 0 def push(self,item): node = Node(item) node.next = self.head self.head = node self.count +=1 def pop(self): if self.head: ret = self.head.data self.head = self.head.next self.count -=1 return ret def size(self): return self.count Jiří Vokřínek, 2015 B6B36ZAL - Přednáška 6 27

28 Spojové struktury class LinkedList: def init (self): self.head = None self.end = None self.count = 0 def push(self,item): node = Node(item) if not self.head: self.head = self.end = node else: node.next = self.head self.head = node self.count +=1 def pop(self): if self.head: ret = self.head.data self.head = self.head.next if self.head == None: self.end = None self.count -=1 return ret Jiří Vokřínek, 2015 B6B36ZAL - Přednáška 6 28

29 Jiří Vokřínek, 2015 B6B36ZAL - Přednáška 6 29 Spojové struktury Vložení prvku na konec pushend def pushend(self, item): node = Node(item) if not self.end: self.head = self.end = node else: self.end.next = node self.end = node self.count +=1

30 Jiří Vokřínek, 2015 B6B36ZAL - Přednáška 6 30 Spojové struktury Odebrání posledního prvku popend def popend(self): if self.head: self.count -=1 ret = self.end.data if self.head == self.end: self.head = self.end = None else: cur = self.head while cur.next!= self.end: cur = cur.next self.end = cur self.end.next = None return ret

31 Jiří Vokřínek, 2015 B6B36ZAL - Přednáška 6 31 Spojové struktury Obecně vkládání do seznamu Na začátek push Na konec pushend Za daný prvek potřebujeme referenci na prvek, za který chceme vkládat (node) newnode = Node(item) newnode.next = node.next node.next = newnode Na určitou pozici insertat Nutno najít odpovídající prvek průchod seznamu Vložit za daný prvek Ošetření mezních hodnot (velikost seznamu, head, end)

32 Jiří Vokřínek, 2015 B6B36ZAL - Přednáška 6 32 Spojové struktury Odebírání prvku Ze začátku pop Z konce popend Daný prvek potřebujeme referenci na prvek, který ho předchází (prevnode) if prevnode.next == node: prevnode.next = node.next node.next = None Z určité pozice removeat Nutno najít odpovídající prvek průchod seznamu Odstranit prvek Ošetření mezních hodnot (velikost seznamu, head, end)

33 Spojové struktury Složitější operace / práce s prvky Vkládání a odebírání Vyhledávání Výpis prvků, Příklad: search a remove Rozšíření základního spojového seznamu Čítač prvků count Reference na poslední prvek end Zjednodušuje některé operace z lineární náročnosti na konstantní Další možná rozšíření Kruhový spojový seznam Obousměrný spojový seznam Jiří Vokřínek, 2015 B6B36ZAL - Přednáška 6 33

34 Jiří Vokřínek, 2015 B6B36ZAL - Přednáška 6 34 Spojové struktury Kruhový spojový seznam Položka next posledního prvku odkazuje na první prvek head a end ztrácejí smysl, ale je třeba držet odkaz na některý prvek (první, poslední přidaný, poslední vyhledaný, atp.)

35 Jiří Vokřínek, 2015 B6B36ZAL - Přednáška 6 35 Spojové struktury Obousměrný spojový seznam Každý prvek obsahuje odkaz na následující i předchozí položku v seznamu (prev a next) První prvek má nastavenu položku prev na None Poslední prvek má nastavenu položku next na None Snadný pohyb seznamem vpřed i vzad Srovnejte popend u jednosměrného spojového seznamu

36 Jiří Vokřínek, 2015 B6B36ZAL - Přednáška 6 36 Spojové struktury Kruhový obousměrný spojový seznam Kombinace předchozích

37 Základy algoritmizace Dnes: Abstraktní datové typy Zásobník Fronta Spojový seznam lineární, kruhový, obousměrný Zamyslete se Jak udělat zásobník (frontu) pomocí spojového seznamu s konstantní složitostí operací (bez nutnosti procházet seznam) Jak implementovat obousměrný spojový seznam Jak udržovat spojový seznam setříděný Jak implementovat prioritní frontu spojovým seznamem Příště vyhledávání a řazení grafy a stromy Jiří Vokřínek, 2015 B6B36ZAL - Přednáška 6 37

38 Jiří Vokřínek, 2015 B6B36ZAL - Přednáška 6 38 Základy algoritmizace Dodatečné zdroje: Implementing a Stack in Python DS/ImplementingaStackinPython.html Implementing a Queue in Python DS/ImplementingaQueueinPython.html Linked Lists in Python DS/ImplementinganUnorderedListLinkedLists.html Implementing a singly linked list in Python Linked lists 17.html